Полевые транзисторы (окончание) : МОП (МДП) приборы Транзистор с встроенным каналом : Транзистор с индуцированным каналом : Достоинства - диэлектрическая изоляция затвора с малыми токами утечки ( I З ~ 1 pA ), высокие крутизны ( S ~ 5 40mA / V при I С ~ 10mA ), высокие рабочие частоты (до f ~ 2GHz ) Недостаток - повышенные шумы (шум захвата носителей на границе Si-SiO2) Маломощные МОП ПТ - основные элементы современных микросхем - как цифровых, так и аналоговых Маломощные дискретные ПТ - применение для усиления, преобразования, генерации и коммутации сигналов Мощные ПТ - ключевые (для работы в преобразователях напряжения) и усилительные (для работы в выходных каскадах УНЧ и в выходных каскадах радиопередатчиков) Для усиления и генерации в диапазоне СВЧ - ПТ с барьером Шоттки, изготовленные из GaAs - рабочие частоты до 5 10GHz . Вариант применения ключевых ПТ – преобразователь напряжения накопительным трансформатором (с накопительной индуктивностью) : с Уникальное свойство МОП ПТ – возможность построения почти идеальных аналоговых коммутаторов : - в отличие от коммутаторов на диодах и биполярных транзисторах – простота, малые искажения сигнала, отсутствие остаточного напряжения Аналогично – управляемые аттенюаторы на ПТ : ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Усилители постоянного тока. Операционные усилители (ОУ). Проблема дрейфов : в усилителях переменного тока – разделение каскадов емкостями или трансформаторами, применение реактивных нагрузок (дроссели и колебательные контура), введение частотно-зависимых ООС. В усилителях постоянного тока - исторически - индивидуальная подгонка и компенсация ламповых и транзисторных усилителей, подстройка "нуля" непосредственно перед работой. Решение - применение дифференциальных каскадов, когда два одинаковых элемента взаимно компенсируют друг друга : Первоначально - применение дискретных транзисторов, подобранных в пары; далее - изготовление двух идентичных транзисторов на одном кристалле (дифференциальная пара); сейчас - интегральная технология - изготовление на одном кристалле всего усилителя. Упрощенный вариант усилителя : 1 1 1 25mV ST 1T 2 2mA / V rЭ1 rЭ 2 2 0.1mA ST 1T 2T 3 2 3ST 1T 2 400mA / V Ku ST 1T 2T 3 ( RН // ri _ ОЭ 3 ) ri _ ОЭ ~ 50K Ku _ MAX ~ 20000 при RН ~ 500 RН ~ 50K Ku ~ 10000 rВХ 2 rЭ1, 2 2 100 250 50 K rВЫХ ri _ ОЭ 3 / 50 K / 100 500 - простейший операционный усилитель (ОУ) Обозначается на схемах : Включение : uD u u - дифференциальное (противофазное) входное напряжение 1 uS (u u ) - синфазное входное напряжение 2 Для идеального ОУ uВЫХ KuuD (причем в пределе Ku , rВЫХ 0 ), но не зависит от u S ; кроме того iВХ iВХ 0 - нет входного тока -----------------------------------------------------------------------------------------------------Для реальных ОУ вводят 1) дифференциальный K u 2) синфазный KuS uВЫХ uD uВЫХ uS ~ 103 106 u S const , а также коэффициент подавления u D const Ku K ~ 102 106 или (в дб) G 20 lg u ~ 40 120дб KuS KuS 3) из-за разброса транзисторов входного каскада и асимметрии остальной схемы есть напряжение смещения нуля u0 - т.е. uВЫХ 0 при uD u0 синфазного сигнала G Обычно u0 ~ 0.1 10mV Особенно важна зависимость u0 от температуры - температурный дрейф u0 ~ 1 50 V / C - определяет температурную нестабильность смещения T "нуля" 4) из-за наличия базового тока I ВХ 0 Обычно I ВХ ~ 10nA 10A Кроме того, из-за зависимости I ВХ от uВХ имеется конечное входное сопротивление : rS 1 rD 1 I ВХ uS I ВХ uD ~ 108 1012 - для синфазного сигнала uD 0 ~ 104 108 ( rS ) - для дифференциального сигнала uS 0 Схема замещения входной цепи ОУ : 5) существенный параметр - частота единичного усиления в режиме малого сигнала - или т.н. произведение усиление-полоса fT ~ 200KHz 2GHz Типовой вид АЧХ ОУ (т.н. ЛАХ) : Вводят так же f 0.7 - частота, на которой усиление падает в 2 раз fT K u ( 0) , то f 0.7 f K u ( f 0) 1 j f 0 .7 ------------------------------------------------------------------------------------------------------ Если K u ( f ) Существенное улучшение входных параметров ОУ достигается при использовании входного дифференциального каскада на ПТ : В этом случае I ВХ ~ 10 fA 1nA , rD ~ 1012 1015 Недостаток - несколько увеличивается уровень дрейфа нуля, ниже быстродействие Кроме того, сейчас активно внедряются ОУ на комплементарных ПТ (не содержат биполярных транзисторов) -----------------------------------------------------------------------------------------------------Принцип отрицательной обратной связи (ООС) uВЫХ u Ku 0 (uВХ uВЫХ ) Ku 0 uВЫХ K u0 Ku 0 uВХ K u 1 K u0 1 Ku 0 Если Ku 0 , то Ku 1 и не зависит от K u 0 - возвратное отношение (какая часть сигнала с выхода поступает на вход) g Ku 0 - петлевое усиление Отличие усиления усилителя с ООС от идеального, охваченного той же ООС и с Ku 0 , будет : 1 Ku 0 1 Ku 1 1 1 Ku 0 1 1 1 Ku 0 g Как следствие, частотно-независимая ООС позволяет расширить полосу 1 пропускания до уровня, когда K u 0 ( f ) : если K u 0 ( f ) K u 0 ( 0) K u 0 ( 0) , то f 1 j 1 j f 0.7 0.7 K u 0 ( 0) f 1 j K u 0 ( 0) f 0.7 Ku 0 ( f ) K u 0 ( 0) f 1 1 K u 0 ( 0) j f f 0. 7 1 j f 0.7 K u 0 ( 0) 1 K u 0 ( 0) 1 j 1 f (1 K u 0 (0)) f 0.7 Если Ku 0 1 , то f 0.7 _ OOC (1 Ku 0 (0)) f 0.7 Ku 0 (0) f 0.7 fT и K u ( f ) K u ( 0) 1 1 j f fT На ЛАХ'е : Но почему 20дб/декада ? Интегрирующие RC (и RL)-цепочки вдали от изломов АЧХ имеют спад с N - порядок крутизной RC-звена (число N 20дб / декада , где последовательно включенных RC-пар); Но: одно интегрирующие RC-звено сдвигает фазу ВЧ-сигнала (при f ) на -90, два звена - на -180 - т.е. в пределе - обращение фазы сигнала. Если при этом (когда ООС переходит в ПОС) сохраняется такое усиление, что g Ku 0 ( f ) 1 , то происходит самовозбуждение усилителя (возникает генерация) т.к. ОС начинает увеличивать сигнал на входе. В области спада АЧХ разомкнутого усилителя стремятся получить спад 20дб / декада (обычно - введением в схему ОУ специальных корректирующих конденсаторов) -----------------------------------------------------------------------------------------------------ООС и нелинейные искажения Пусть имеем усилитель, вносящий искажения : При наличии ООС : uВЫХ (uВХ uВЫХ ) Ku 0 n(t ) uВЫХ Ku 0 1 uВХ n (t ) 1 Ku 0 1 Ku 0 нелинейные искажения (как отношение их амплитуды к амплитуде входного сигнала) падают в 1 Ku 0 Ku 0 g раз ! - важнейший способ уменьшения нелинейных искажений Но: ООС не уменьшает шум усилителя - поскольку важна амплитуда шума, приведенная ко входу ! -----------------------------------------------------------------------------------------------------Основные схемы ООС для ОУ : 1) неинвертирующий усилитель R1 R1 uВЫХ ) Ku 0 R1 R2 R1 R2 Ku 0 1 R 1 2 1 при K u 0 имеем K u 1 K u 0 R1 uR1 uВХ o( Ku , uВХ ) uВЫХ uD Ku 0 (uВХ uS uВХ uВХ - как следствие, резко растет входное сопротивление (т.к. uD K u0 обычно rS rD ) -----------------------------------------------------------------------------------------------------2) инвертирующий усилитель R1 R2 R1 (uВЫХ uВХ ) uВЫХ ( uВХ uВЫХ ) K u 0 R1 R2 R1 R2 R1 R2 - отличается от ранее рассмотренной ООС; но введя R R2 K u 0 Ku 0 Ku 0 , можем ввести 1 и K u R2 R1 R2 1 K u 0 1 R если Ku 0 1 имеем K u 2 R1 uD uВХ - причем при этом амплитуда сигнала на инвертирующем входе мала - говорят, что на нем находится "виртуальный ноль" или "виртуальная земля" Входное сопротивление схемы rВХ R1 rD , rS Замена сопротивления R2 на конденсатор превращает усилитель в интегратор : -----------------------------------------------------------------------------------------------------3) сумматор -----------------------------------------------------------------------------------------------------4) дифференциальный усилитель ------------------------------------------------------------------------------------------------------